瞭望 | 当“力”凝聚成物质——中国科学家证实胶球存在

　　“纯由力构成的物质”指向的是人类物质观的一次拓展

　　文 | 尹琪钦 张鹏 石硕 许皓月

　　北京时间8月6日，在巴西举行的国际高能物理大会上，中国科学家宣布证明胶球存在，解开了困扰学术界近半个世纪的谜题。

　　从分子、原子，到原子核，再到质子、中子和夸克，人类对“物质由什么组成”的追问不断向更深处推进。曾经被认为不可再分的原子，后来被发现拥有内部结构；质子和中子也并非终点，而是由更基本的夸克组成。

　　在现代粒子物理描绘的微观世界中，人们通常把基本粒子大致分为承担不同任务的两类角色：电子、夸克等粒子构成物质，光子、胶子等粒子则负责传递物质粒子之间的基本相互作用力。

　　但在强相互作用的世界里，这种分工出现了一个极为特殊的例外。

　　负责传递强力的胶子，不仅能够把夸克牢牢束缚起来，胶子之间也能够彼此作用。理论因此预言：这些原本负责“粘合”物质的粒子，也能够把自己“粘”在一起，形成一种全新的物质形态——胶球，它可以被形象地理解为一种“纯由力构成的物质”。

　　胶球是粒子物理标准模型的重要预言，也是自然界中唯一由传递基本相互作用力的传播子构成的粒子，这种由基本相互作用传播子的自相互作用形成的粒子从未被实验发现，其存在与否是标准模型至关重要的基本检验。预言提出后，物理学家寻找了近半个世纪。

　　中国科研团队对X(2370)粒子开展了长期、系统研究。从质量和量子属性，到它如何产生、怎样衰变，一系列彼此独立的实验线索最终汇聚到同一个答案：量子色动力学预言的最轻赝标量胶球，是X(2370)的主导成分。

　　X(2370)在北京正负电子对撞机（BEPCII）上产生，并由安装在其上的大型探测器北京谱仪III（BESIII）捕获并证实。一种长期存在于理论预言中的特殊物质形态，第一次如此清晰地走进实验现实。

　　“胶水”为什么能把自己粘起来

　　胶球为什么能够存在？

　　可以先看看我们更加熟悉的电磁作用。带电粒子之间通过光子传递电磁作用，但光子本身不带“电荷”。胶子则不同。负责传递强相互作用的胶子自身也携带与强相互作用有关的“色荷”，正因如此，胶子不仅能够与夸克作用，胶子彼此之间也能够发生强烈相互作用。

　　如果把胶子形象地比作粘合夸克的“胶水”，胶球最奇特的地方，就是“胶水自己也能粘成一团”。

　　描述夸克和胶子相互作用的理论叫量子色动力学（QCD），是粒子物理标准模型的重要组成部分。在很高的能量下，QCD已经得到大量精密实验检验；但到了质子、中子和胶球所在的低能区域，不仅理论上难以精确计算，实验也难以清晰观测。

　　胶球的存在正是这一复杂强相互作用世界中最重要的预言之一。找到它，不仅意味着粒子名单上增加一个新成员，更是在回答一个关于自然界基本规律的问题：传递强相互作用的胶子，究竟能不能独立形成物质？

　　理论物理学家借助格点QCD等方法和大型计算机研究这一问题。几十年来，不同计算预言了一系列具有不同质量和量子属性的胶球。其中，最轻的赝标量胶球，量子属性记作0-+，被普遍预期出现在大约2.3~3.0吉电子伏特（GeV）的质量区域。

　　后来进入实验物理学家视野的X(2370)，恰好位于这一范围。

　　从知道胶球“应该存在”，到在实验中认出它，还有很长的距离。

　　胶球寿命极短。研究人员不可能把一个胶球拿出来观察内部结构，它一经产生就迅速衰变。探测器真正记录到的，是其衰变后的相对稳定的粒子的能量、动量和运动轨迹。科学家必须从这些痕迹出发，反过来重建一个只存在极短时间的粒子。

　　并且，几个GeV质量附近的粒子世界非常“拥挤”。普通的夸克—反夸克粒子、多夸克态、混杂态以及其他复杂结构，都可能出现在相近区域；具有相同量子属性的不同成分甚至可能彼此混合。因此，即使实验中某个质量谱上出现一个明显的“峰”，提示那里可能存在一个新的粒子，也只相当于在人群里发现了一个陌生身影；要确认它是不是胶球，还需要进一步辨认它的“身份特征”。

　　质量是否落在理论预言的范围？它的自旋、宇称等量子属性是否符合预期？它是不是容易在富含胶子的环境中产生？它的偏好如何衰变？这些衰变会不会留下普通夸克结构的痕迹？

　　胶球不能靠一项实验“一锤定音”。真正有说服力的确认，需要一条由多项相互独立测量组成的证据链。

　　十五年追踪“草蛇灰线”

　　回溯十五年来对X(2370)的研究，实际上是一场不断升级的“身份审查”。它首先出现在理论预言的最轻的0-+胶球质量区域；随后被确定具有正确的0-+量子属性；它在富含胶子的J/ψ（杰/普西粒子）辐射衰变中产生；进一步研究发现，它的多种衰变行为具有胶子主导的特征，等等。最终，胶球应当具有的“味单态”性质也得到实验确认。

　　寻找主要由胶子组成的粒子，首先要去一个胶子容易大量产生的地方。J/ψ的辐射衰变恰好提供了这样的环境。

　　J/ψ由粲夸克和反粲夸克组成。在发生辐射衰变时，它可以先放出一个光子，同时形成一个富含胶子的系统。J/ψ辐射衰变长期被国际粒子物理学界视为寻找胶球的“黄金场所”。

　　北京正负电子对撞机恰好工作在能够大量产生J/ψ等粒子的关键能区。而且，正负电子碰撞还有另一个重要优势——实验环境相对“干净”。与内部结构更加复杂的强子碰撞相比，研究人员更容易完整地重建一次粒子产生和衰变的全过程。

　　经过长期运行，北京谱仪III已经捕获约100亿个J/ψ事例。庞大的数据样本使研究人员不仅能够问“有没有一个新粒子”，还可以继续追问“它究竟是什么”。

　　数据量之外，北京谱仪III还必须尽可能完整、精确地记录粒子衰变留下的痕迹。带电粒子的运动轨迹、不同粒子的鉴别、光子的能量，都需要被准确测量，研究人员才能重建包含多种粒子的复杂衰变过程。胶球的身份，恰恰隐藏在这些不同衰变方式留下的精细“指纹”之中。

　　独特的能区、海量的J/ψ数据、相对干净的碰撞环境以及高精度的探测能力，共同构成北京谱仪III捕获胶球难以替代的优势。

　　2011年，北京谱仪III在J/ψ辐射衰变中首次观察到一个质量约为2.37GeV的新粒子，因恰好处于理论预言的最轻赝标量胶球区域，引起研究人员注意，并将其命名为X(2370)。

　　但“体重相符”只是第一关。此后十多年，围绕X(2370)粒子的研究一直在进行。在北京谱仪III国际合作组框架下，由南京大学金山教授和中国科学院高能物理研究所黄燕萍研究员等科研人员持续组织和推进相关研究，随着新的J/ψ数据不断积累，X(2370)在更多衰变过程中被观察到，它的身份也从一个最初的胶球“候选者”，一点点变得清晰。

　　2024年，第二张关键“身份证”对上了：依托约100亿个J/ψ事例，实验确定X(2370)的自旋宇称为0-+，与理论预言的最轻赝标量胶球完全吻合。

　　质量对了，量子属性也对了。研究随即继续深入到它怎样衰变。在粒子物理中，一个粒子“倾向于怎样衰变”往往是识别其内部组成的重要线索。

　　研究发现，X(2370)的一些衰变特征与ηc（伊塔c粒子）呈现出明显相似性。伊塔c主要通过胶子衰变，这种相似性与胶球的预期相符。X(2370)的“衰变指纹”越来越像一个由胶子主导的粒子。

　　还有一道尤其关键的身份测试没有完成——它有没有夸克的“味道”？

　　粒子物理学家把不同种类的夸克称作不同的“味道”，例如上夸克、下夸克和奇异夸克。普通介子由夸克和反夸克组成，因此内部包含什么样的夸克，往往会通过它偏爱哪些衰变方式留下“味道指纹”。胶子却没有上、下、奇异这样的夸克“味道”。因此，胶球应该表现出一种特殊的“味单态”性质。通俗地说，它在衰变时不应该偏好任何一种夸克“味道”。

　　怎样把这种抽象的理论性质变成实验能够直接回答的问题？

　　传统上，要判断一个粒子是否具有胶球所期待的“味单态”性质，需要测量和比较多种衰变方式，不仅工作量巨大，测量误差也常常让结论难以明确。团队成员在讨论中发现，对于X(2370)，如果它的某一类特定的衰变受到明显抑制，就能说明它是“味单态”。沿着这一思路，研究团队通过北京谱仪III利用约100亿个J/ψ事例进行了这一关键检验，实验没有观察到这一衰变的证据。这一结果确定了X(2370)的“味单态”性质，为胶球身份补上关键的一块拼图。

　　这些来自不同实验的测量最终彼此呼应。当质量、量子属性、产生方式和多种衰变性质同时符合胶球的理论预期时，原本分散的现象被同一个物理图景统一起来。

　　国家原始创新能力和科技硬实力的最直接体现

　　胶球首先拓展了人类对物质世界的认识。

　　我们过去习惯于把电子、夸克看作物质的组成者，把光子、胶子看作作用力的传递者。胶球则告诉我们，这种角色并不存在绝对的界限：传递自然界基本作用力的粒子，本身也能够聚集起来形成物质。从这个意义上说，“纯由力构成的物质”指向的是人类物质观的一次拓展。

　　更深一层来看，胶球证实了强相互作用塑造物质世界的双重机制。传统认知中，强相互作用通过把夸克束缚成质子和中子，构成了宇宙中绝大多数可见物质；而胶球的存在则证明，传递强相互作用的胶子本身也能发生凝聚，形成一种不依赖夸克的纯“力”物质。这表明，同一套底层自然规律，能够以完全不同的方式创造出物质形态。

　　这类发现的科学价值，也远远不限于一项具体技术。电磁学建立时，人类还没有无线通信；量子力学诞生时，也没有今天的芯片和激光。具有长远影响的基础科学，首先改变的是人类对自然规律的认识。

　　胶球研究也是如此。认识一种新的物质形态、理解自然界最基本的强相互作用怎样运行，本身就是比一两项具体技术进步更加基础和长远的科学突破。

　　这项成果背后，是一场跨越数十年的科学接力。从北京正负电子对撞机长期把寻找胶球作为重要科学目标，到北京谱仪III获得世界领先的J/ψ数据；从2011年首次发现X(2370)，到十多年间不断补齐它的量子属性和衰变性质，最终建立起完整的证据链，一代又一代科研人员围绕同一个问题持续推进。

　　这需要一整套长期积累起来的科研能力：高水平加速器、精密探测器、电子学、大规模计算和海量数据分析，以及能够长期围绕重大科学问题接续攻关的人才队伍。

　　我国当年投资2.4亿元建设北京正负电子对撞机，后来又投入6.4亿元升级。目前，科研人员正计划对北京正负电子对撞机做第三次升级，将事例数提高10倍，未来还将通过更多衰变过程和更加精密的振幅分析，进一步回答X(2370)中胶球成分究竟占多大比例，并描绘它更加完整的内部结构。

　　能够依靠自己的大科学装置、自己的世界级数据和自己的科研团队，对国际科学界寻找了半个世纪的重大基础科学问题作出原创性回答，本身就是国家原始创新能力和科技硬实力最直接的体现之一。

　　半个世纪前，胶球还只是理论中的一个预言。今天，人类已经能够从数百亿次粒子产生和衰变留下的信息中，一步步辨认出这种特殊物质形态。而这一次，人类认识强相互作用、认识物质世界的重要一步，发生在中国。

　　（作者分别为南京大学博士生、中国科学院高能物理研究所博士后、中国科学院高能物理研究所博士生、北京航空航天大学博士生）■